CN112742336B - 一种碳氢气化反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种碳氢气化反应器。该碳氢气化反应器中，富氢过热蒸汽发生及分路单元将富氢过热蒸汽分为三路，有机浆料进料单元基于第一路富氢过热蒸汽对有机浆料进行第一段加热并伴随甲烷化反应，第一碳氢反应单元基于第二路富氢过热蒸汽对反应物进行第二段加热，第二碳氢反应单元基于第三路富氢过热蒸汽对反应物进行第三段加热。本发明的碳氢气化反应器在三个连续的加热场所内，分别采用三路富氢过热蒸汽对反应物进行了三次加热，并发生反应。这种分段式增加目标产物反应方式逐级增加了反应产物的组份含量，达到提升目标产物的目的，与现有的有机物气化方法相比，采用本发明的碳氢气化反应器能够提高原料的气化率，即原料转化为合成气的比例更高。

Description

一种碳氢气化反应器
技术领域
本发明属于有机物气化反应技术领域，更具体地，涉及一种碳氢气化反应器。
背景技术
有机物气化合成甲烷是指有机物经过气化反应产生合成甲烷气，再经过分步处理，生产甲烷。有机物气化反应的转化效率较高，技术已基本成熟，是生产甲烷的有效途径。
现有工艺通常基于碳氢气化反应器实现，其工艺流程主要包括有机物气化环节和甲烷化环节。其中，有机物气化环节是指使有机原料发生气化反应，形成以CO和H2为主要组份的合成气。甲烷化环节是指在碳氢反应催化物的作用下，促使合成气中的CO与H2发生甲烷化反应，形成目标产物。在实际的有机物气化环节中，有机原料气化形成的合成气在该环节的高温环境条件下也会发生一定程度的甲烷化反应。
现有的有机物气化环节主要在气化反应器中进行。在气化反应器内，有机原料通过直接加热或者燃烧，在一定的反应条件下与蒸汽反应，分步制取目标产物。
现有的有机物气化环节对于甲烷化反应中释放的热量未充分利用，只是对有机原料进行了高温加热促使发生化学反应，制取下一步反应所需的原料气，并分多个环节逐步制取目标产物。这种工艺造成副产品多，目标产物获得工艺过程能源消耗过大，产品不稳定。
发明内容
本发明的目的在于解决现有目标甲烷产物转化步骤繁琐，能耗高，产品不稳定的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种碳氢气化反应器，该碳氢气化反应器包括：
过热蒸汽发生单元，用于基于外部环境中的高温烟气将输入的液态水转化为过热蒸汽；
富氢过热蒸汽发生及分路单元，用于将所述过热蒸汽转化为富氢过热蒸汽，并将所述富氢过热蒸汽分为三路；
有机浆料进料单元，用于基于输入的第一路富氢过热蒸汽和外部环境中的高温烟气对待气化的有机浆料进行预热；
第一碳氢反应单元，用于基于输入的第一路富氢过热蒸汽和通过外部环境中的高温烟气热对待气化的有机浆料进行气化反应，伴随着气化反应吸热过程，富氢蒸汽与反应物发生甲烷化反应。甲烷化反应释放热量与气化反应吸热过程达到热平衡，使得反应有序正向发生获得大部分目标产物，得到第一组份粗气；
所述第一组分份粗气包含甲烷和部分其他组份；
第二碳氢反应单元，用于基于输入的第三路富氢过热蒸汽对所述第一组份粗气进行热量补充，使其中混有的颗粒有机物及未反应完全的反应物进一步气化为合成气，增加目标产物组份含量，得到第二组份粗气；
所述第二组份粗气包含甲烷和部分未反应组份；
第三碳氢反应单元，用于基于碳氢反应催化物促使所述第二组份粗气中的合成气进一步发生甲烷化反应，得到待后续处理的半成品气。
作为优选的是，所述碳氢气化反应器还包括：
高温烟气发生单元，用于生成高温烟气；
烟气流动室，用于提供烟气流动的所述外部环境；
所述高温烟气发生单元设于所述烟气流动室的高温烟气输入侧；
在所述烟气流动室内做功后的低温烟气经所述烟气流动室的低温烟气输出侧排出。
作为优选的是，所述过热蒸汽发生单元包括：
饱和蒸汽发生子单元，用于将输入的液态水转化为饱和蒸汽；
过热蒸汽发生子单元，用于将所述饱和蒸汽转化为过热蒸汽。
作为优选的是，所述饱和蒸汽发生子单元包括：
节能器，用于基于所述低温烟气的余热对输入的液态水进行预热；
蒸发器，用于将预热后的液态水加热至饱和温度；
汽包，用于将饱和温度下液态水转化为饱和蒸汽。
作为优选的是，所述过热蒸汽发生子单元包括：
过热器，用于将所述饱和蒸汽转化为过热蒸汽；
减温器，用于对所述过热蒸汽的温度进行调控；
所述节能器、所述蒸发器和所述过热器均设于所述烟气流动室的内部，所述汽包和所述减温器均设于所述烟气流动室的外部；
所述节能器、所述蒸发器和所述过热器依次设置在所述烟气流动室的低温烟气输出侧与高温烟气输入侧之间。
作为优选的是，所述富氢过热蒸汽发生及分路单元基于水的高温催化物将所述过热蒸汽转化为富氢过热蒸汽；
在所述富氢过热蒸汽发生及分路单元上设置有三路富氢过热蒸汽输送管道；
其中，第一路富氢过热蒸汽输送管道接入所述有机浆料进料单元；
第二路富氢过热蒸汽输送管道接入所述第一碳氢反应单元的底部；
第三路富氢过热蒸汽输送管道接入所述第二碳氢反应单元的底部。
作为优选的是，所述富氢过热蒸汽发生及分路单元为蒸汽缓冲罐，所述有机浆料进料单元为有机浆料喷枪，所述第一碳氢反应单元为气化反应器，所述第二碳氢反应单元为反应罐，所述第三碳氢反应单元为催化罐；
所述气化反应器设于所述烟气流动室的内部；
所述有机浆料喷枪将预热后的有机浆料喷射入所述气化反应器的底部；
所述蒸汽缓冲罐、所述反应罐和所述催化罐均设于所述烟气流动室的外部。
作为优选的是，所述碳氢气化反应器还包括：
夹层式冷却单元，用于对所述第二碳氢反应单元，以及所述第三碳氢反应单元及其出口管路进行冷却控温。
作为优选的是，所述碳氢气化反应器还包括：
第一取样单元，用于对所述第一碳氢反应单元排出的所述第一组份粗气进行取样；
第二取样单元，用于对所述第二碳氢反应单元排出的所述第二组份粗气进行取样；
第三取样单元，用于对所述第三碳氢反应单元排出的所述半成品气进行取样。
作为优选的是，所述碳氢气化反应器还包括：
取样冷却单元，用于对所述第一取样单元、所述第二取样单元和所述第三取样单元进行冷却控温。
本发明的有益效果在于：
本发明的碳氢气化反应器，富氢过热蒸汽发生及分路单元将用于加热有机浆料的富氢过热蒸汽分为三路，有机浆料进料单元基于第一路富氢过热蒸汽对有机浆料进行第一段加热，第一碳氢反应单元基于第二路富氢过热蒸汽对反应物进行第二段加热，第二碳氢反应单元基于第三路富氢过热蒸汽对反应物进行第三段加热。
由此可知，本发明的碳氢气化反应器在三个连续的加热场所内，分别采用三路富氢过热蒸汽对反应物进行了三次加热并发生反应。这种分段式增加目标产物的反应方式逐级增加了反应产物的组份含量，从而达到获得目标产物的目的。与现有的甲烷化制取工艺相比，采用本发明的碳氢气化反应器能够提高原料的气化率，即原料转化为合成气的比例更高，同时减少了反应中所需能耗，进而降低制取目标产物的成本。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的实施例的碳氢气化反应器的原理框图。
图2示出了根据本发明的实施例的碳氢气化反应器的结构示意图。
图2中：
1为燃烧机，2为燃烧室，3为过热器，4为减温器，5为气化反应器，6为汽包，7为蒸发器，8为节能器，9为底座，10为蒸汽缓冲罐，11为反应罐，12为催化罐，13为冷却水进口，14为管道冷却器，15为有机浆料喷枪，16为半成品天然气出口，17为冷却水出口，18为取样管冷却器，19为水进口，20为烟气出口。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例1：图1示出了本实施例的碳氢气化反应器的原理框图。参照图1，本实施例的碳氢气化反应器包括：
过热蒸汽发生单元，用于基于外部环境中的高温烟气将输入的液态水转化为过热蒸汽；
富氢过热蒸汽发生及分路单元，用于将所述过热蒸汽转化为富氢过热蒸汽，并将所述富氢过热蒸汽分为三路；
有机浆料进料单元，用于基于输入的第一路富氢过热蒸汽和外部环境中的高温烟气对待气化的有机浆料进行预热，并输出预热后的有机浆料；
第一碳氢反应单元，用于基于输入的第二路富氢过热蒸汽和外部环境中的高温烟气对预热后的有机浆料进行加热，使有机浆料气化为合成甲烷所需的反应物，并伴随发生甲烷化反应，得到第一组份粗气；
所述第一组份粗气包含甲烷和部分未充分反应气体组份，部分未充分反应气体组份包括CO2、CO、H2和H2O(g)等；
第二碳氢反应单元，用于基于输入的第三路富氢过热蒸汽对所述第一组份粗气进行热量补充，使其中混有的颗粒有机物及未反应完全的反应物进一步气化为合成气，增加目标产物组份含量，得到第二组份粗气；
所述第二组份粗气包含甲烷和剩余未充分反应气体组份，剩余未充分反应气体组份包括CO2、CO、H2和H2O(g)等；
第三碳氢反应单元，用于基于碳氢反应催化物促使所述第二组份粗气中未反应的组份进一步反应生成甲烷，得到待后续处理的半成品天然气。
本实施例的碳氢气化反应器还包括：
高温烟气发生单元，用于生成高温烟气；
烟气流动室，用于提供烟气流动的所述外部环境；
高温烟气发生单元设于烟气流动室的高温烟气输入侧；
在烟气流动室内做功后的低温烟气经烟气流动室的低温烟气输出侧排出。
本实施例的过热蒸汽发生单元包括：
饱和蒸汽发生子单元，用于将输入的液态水转化为饱和蒸汽；
过热蒸汽发生子单元，用于将所述饱和蒸汽转化为过热蒸汽。
其中，饱和蒸汽发生子单元包括：
节能器，用于基于所述低温烟气的余热对输入的液态水进行预热；
蒸发器，用于将预热后的液态水加热至饱和温度；
汽包，用于将饱和温度下液态水转化为饱和蒸汽。
过热蒸汽发生子单元包括：
过热器，用于将所述饱和蒸汽转化为过热蒸汽；
减温器，用于对所述过热蒸汽的温度进行调控。
本实施例中，节能器、蒸发器和过热器均设于烟气流动室的内部，汽包和减温器均设于烟气流动室的外部；
节能器、蒸发器和过热器依次设置在烟气流动室的低温烟气输出侧与高温烟气输入侧之间。
本实施例中，富氢过热蒸汽发生及分路单元基于水的高温催化物将所述过热蒸汽转化为富氢过热蒸汽；
在富氢过热蒸汽发生及分路单元上设置有三路富氢过热蒸汽输送管道；
其中，第一路富氢过热蒸汽输送管道接入有机浆料进料单元；
第二路富氢过热蒸汽输送管道接入第一碳氢反应单元的底部；
第三路富氢过热蒸汽输送管道接入第二碳氢反应单元的底部。
本实施例中，富氢过热蒸汽发生及分路单元为蒸汽缓冲罐，有机浆料进料单元为有机浆料喷枪，第一碳氢反应单元为气化反应器，第二碳氢反应单元为反应罐，第三碳氢反应单元为催化罐；
气化反应器设于烟气流动室的内部；
有机浆料喷枪将预热后的有机浆料喷射入气化反应器的底部；
蒸汽缓冲罐、反应罐和催化罐均设于烟气流动室的外部。
本实施例的碳氢气化反应器还包括：
夹层式冷却单元，用于对第二碳氢反应单元，以及第三碳氢反应单元及其出口管路进行冷却控温。
具体地，本实施例的夹层式冷却单元采用管道冷却器实现。
本实施例的碳氢气化反应器还包括：
第一取样单元，用于对第一碳氢反应单元排出的所述第一组份粗气进行取样；
第二取样单元，用于对第二碳氢反应单元排出的所述第二组份粗气进行取样；
第三取样单元，用于对第三碳氢反应单元排出的所述半成品天然气进行取样。
本实施例的碳氢气化反应器还包括：
取样冷却单元，用于对第一取样单元、第二取样单元和第三取样单元进行冷却控温。
本实施例的取样冷却单元采用取样管冷却器实现，具体为冷却水箱；第一取样单元、第二取样单元和第三取样单元均采用取样管实现，冷却水箱用于取样气体控温。
在实际生产中，通过对第一取样单元、第二取样单元和第三取样单元所采集到的气体样本进行组份分析，以了解相应的气体组份情况。
本实施例的碳氢气化反应器还包括：
天然气冷却单元，用于对第三碳氢反应单元排出的半成品天然气进行冷却处理；
除尘单元，用于对冷却处理后的半成品天然气进行除尘处理；
分离单元，用于进一步地将固体颗粒杂质从除尘处理后的半成品天然气中分离出去，得到成品天然气。
本实施例中，有机浆料气化为合成气的反应即为有机物气化反应，合成气发生碳氢反应即为甲烷化反应。
图2示出了本实施例的碳氢气化反应器的结构示意图。以下参照图2对本实施例的碳氢气化反应器的工艺流程进行详细的说明：
1、富氢过热蒸汽生成环节：
压力为1.6MPa的常温液态水经水进口19进入节能器8，节能器8利用即将被排出烟气流动室的低温烟气的余热对常温液态水进行预热。蒸发器7将预热后的液态水加热至饱和温度204℃。被加热至饱和温度的液态水进入汽包6，产生饱和蒸汽。汽包6将饱和蒸汽输送至过热器3。饱和蒸汽在经过过热器3的加热和减温器4的调节控制后，形成750℃的过热蒸汽，并进入蒸汽缓冲罐10。
蒸汽缓冲罐10基于水的高温催化物将输入的过热蒸汽转化为富氢过热蒸汽，并将富氢过热蒸汽分为三路，三路富氢过热蒸汽分别被输送至有机浆料喷枪15、气化反应器5和反应罐11。
本实施例的高温烟气发生单元包括燃烧机1和燃烧室2，燃烧室2与烟气流动室一体化设置。
在烟气流动室内，节能器8、蒸发器7和过热器3依次设置在低温烟气输出侧与高温烟气输入侧之间，即节能器8、蒸发器7和过热器3的布置方向与烟气流动室内烟气的流动方向相反，如此设置，使得过热蒸汽的生成环节能够更为充分地利用高温烟气的热量，提高高温烟气的热能利用率，降低系统的整体能耗。在烟气流动室内做功后的烟气经烟气出口20排出烟气流动室。
2、有机物气化环节和甲烷化环节：
有机浆料进入有机浆料喷枪15后，与来自于蒸汽缓冲罐10的第一路富氢过热蒸汽进行混合预热，形成加热的有机浆料。加热的有机浆料在进入到气化反应器5的底部时，与来自于蒸汽缓冲罐10的第二路富氢过热蒸汽再次混合升温，并基于第二路富氢过热蒸汽提供的动力上升至气化反应器5的上部。有机浆料在气化反应器5内上升的过程中，气化反应器5基于外部环境中的高温烟气的热量将有机浆料加热至700℃，使有机浆料逐步气化为合成气(主要组份为CO与H2)。在气化反应器5内，合成气在高温条件下发生一定程度的甲烷化反应，形成第一组份粗气。
气化反应器5排出的第一组份粗气进入反应罐11的底部，并与来自于蒸汽缓冲罐10的第三路富氢过热蒸汽混合，第三路富氢过热蒸汽提供的热量使第一组份粗气中混有的未完全气化的有机颗粒进一步气化形成合成气；在反应罐11内，未发生甲烷化反应的合成气在高温条件下同样发生一定程度的甲烷化反应，形成第二组份粗气。
反应罐11排出的第二组份粗气进入催化罐12，在甲烷化催化物的催化作用下，第二组份粗气中未反应的合成气发生更为充分的甲烷化反应，生成甲烷，得到700℃的半成品天然气。
催化罐12输出的半成品天然气在经过后续的冷却、水洗除尘和杂质分离、脱碳(CO2)后，形成成品天然气。
3、循环水冷环节：
循环冷却水经冷却水进口13进入管道冷却器14，以实现对反应罐11、催化罐12及其出口管路的冷却，在管道冷却器14内吸热后的水经冷却水出口17排至系统外。
本实施例中，底座9为可移动式底座。本实施例的碳氢气化反应器基于底座9配置为撬装式结构。
本实施例的碳氢气化反应器具有以下有益效果：
1、对现有的有机物气化工艺进行了优化。
2、实现了碳氢气化反应器的小型化，设备成本低，占地面积小。
3、撬装式结构便于移动，可根据实际需求生产不同规格的设备。
4、利用过热蒸汽生成过程中所产生的高温烟气为有机物气化提供热源，节省了燃料成本。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (6)

1.一种碳氢气化反应器，其特征在于，包括：
过热蒸汽发生单元，用于基于外部环境中的高温烟气将输入的液态水转化为过热蒸汽，所述过热蒸汽发生单元包括：饱和蒸汽发生子单元，用于将输入的液态水转化为饱和蒸汽；过热蒸汽发生子单元，用于将所述饱和蒸汽转化为过热蒸汽；
所述饱和蒸汽发生子单元包括：节能器，用于基于低温烟气的余热对输入的液态水进行预热；蒸发器，用于将预热后的液态水加热至饱和温度；汽包，用于将饱和温度下液态水转化为饱和蒸汽；
所述过热蒸汽发生子单元包括：过热器，用于将所述饱和蒸汽转化为过热蒸汽；减温器，用于对所述过热蒸汽的温度进行调控；所述节能器、所述蒸发器和所述过热器均设于烟气流动室的内部，所述汽包和所述减温器均设于所述烟气流动室的外部；所述节能器、所述蒸发器和所述过热器依次设置在所述烟气流动室的低温烟气输出侧与高温烟气输入侧之间；富氢过热蒸汽发生及分路单元，用于基于水的高温催化物将所述过热蒸汽转化为富氢过热蒸汽，在所述富氢过热蒸汽发生及分路单元上设置有三路富氢过热蒸汽输送管道，并将所述富氢过热蒸汽分为三路；
有机浆料进料单元，第一路富氢过热蒸汽输送管道接入所述有机浆料进料单元，用于基于输入的第一路富氢过热蒸汽和外部环境中的高温烟气对待气化的有机浆料进行预热，并输出预热后的有机浆料；
第一碳氢反应单元，第二路富氢过热蒸汽输送管道接入所述第一碳氢反应单元的底部，用于基于输入的第二路富氢过热蒸汽和外部环境中的高温烟气对预热后的有机浆料进行加热，使有机浆料与富氢过热蒸汽在催化条件下发生一系列反应生成第一组份粗气；
所述第一组份粗气包含甲烷和部分其他气体组份；
第二碳氢反应单元，第三路富氢过热蒸汽输送管道接入所述第二碳氢反应单元的底部，用于基于输入的第三路富氢过热蒸汽对所述第一组份粗气及部分未完全反应的物料进行加热，使其中混有的颗粒有机物及未反应完全的反应物进一步气化为合成气，得到第二组份粗气；
所述第二组份粗气包含以甲烷为主和部分未完全反应的其他气体组份；
第三碳氢反应单元，在催化条件下促使所述第二组份粗气中未发生甲烷化反应的气体进一步甲烷化，得到待后续处理的半成品气。
2.根据权利要求1所述的碳氢气化反应器，其特征在于，还包括：
高温烟气发生单元，用于生成高温烟气；
烟气流动室，用于提供烟气流动的所述外部环境；
所述高温烟气发生单元设于所述烟气流动室的高温烟气输入侧；
在所述烟气流动室内做功后的低温烟气经所述烟气流动室的低温烟气输出侧排出。
3.根据权利要求1所述的碳氢气化反应器，其特征在于，所述富氢过热蒸汽发生及分路单元为蒸汽缓冲罐，所述有机浆料进料单元为有机浆料喷枪，所述第一碳氢反应单元为气化反应器，所述第二碳氢反应单元为反应罐，所述第三碳氢反应单元为催化罐；
所述气化反应器设于所述烟气流动室的内部；
所述有机浆料喷枪将预热后的有机浆料喷射入所述气化反应器的底部；
所述蒸汽缓冲罐、所述反应罐和所述催化罐均设于所述烟气流动室的外部。
4.根据权利要求1所述的碳氢气化反应器，其特征在于，还包括：
夹层式冷却单元，用于对所述第二碳氢反应单元，以及所述第三碳氢反应单元及其出口管路进行冷却控温。
5.根据权利要求1所述的碳氢气化反应器，其特征在于，还包括：
第一取样单元，用于对所述第一碳氢反应单元排出的所述第一组份粗气进行取样；
第二取样单元，用于对所述第二碳氢反应单元排出的所述第二组份粗气进行取样；
第三取样单元，用于对所述第三碳氢反应单元排出的所述半成品气进行取样。
6.根据权利要求5所述的碳氢气化反应器，其特征在于，还包括：
取样冷却单元，用于对所述第一取样单元、所述第二取样单元和所述第三取样单元进行冷却控温。
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